CN101005474B - 一种降低ofdm信号峰均比的压扩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低OFDM信号峰均比的压扩方法，其过程是：在发送端IFFT运算后求出原始OFDM信号的幅值，采用本发明提出的压扩函数对其进行变换，使变换后的幅值服从线性函数的分布，而信号的相位保持不变；在接收端对接收到的信号的幅值做逆压扩变换，然后再进行FFT运算和解码等操作。本发明实施简单，计算复杂度不随子载波数目的增大而增大，另外还能够使压扩前后信号的平均功率不变、在有效降低峰均比的同时使系统具有较低的误比特率。可以用于各种采用OFDM技术或者其它存在峰均比问题的多载波通信系统中。

Description

一种降低OFDM信号峰均比的压扩方法

技术领域

本发明涉及一种降低正交频分复用通信系统中信号峰均比的压缩扩张方法，是一种通过对OFDM信号幅值进行非线性压扩来抑制峰均比的方法，属于通信技术领域。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种信道利用率很高的多载波调制技术，它能有效地克服多径衰落引起的符号间干扰，因而在WLAN等无线通信系统中获得了应用。但是，由于OFDM信号是多个子信道信号相叠加的结果，所以在系统的发射机内，合成信号会存在较大的瞬时峰值，从而产生过大的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR，简称峰均比)。这些瞬时峰值通过传输系统中的线性动态范围有限的放大器时，就会产生非线性失真，所产生的谐波会进入相关的子信道，造成信道间干扰，使系统的性能急剧恶化。因此，必须采取措施来降低OFDM信号的峰均比。

目前降低OFDM信号峰均比的方法主要有如下几种：

1.剪波

即设定一个限幅门限，把高于该门限的大幅值信号直接削去。这是最简单的方法，能适用于任何数目的子载波构成的系统。但是该方法会引起信号畸变，造成系统的误比特率性能下降和带外辐射功率的增大。

2.编码

利用不同编码所产生的不同码组而选择峰均比较小的码组进行数据信息的传输。缺点如下：一是受编码调制方式的限制；二是受限于子载波数目，随着子载波数目的增加，计算复杂度显著增大；三是编码后的数据速率有所降低。

3.选择性映射

用M个不同的随机相位序列矢量分别与IFFT的输入序列点乘，然后再实施IFFT运算，选择其中具有最小峰均比的输出序列来传输。缺点如下：一是计算复杂度大，需要计算额外(M-1)组IFFT运算；二是需要安全地传送相关的辅助信息。

4.部分传输序列

将输入的数据符号划分为若干个子组，每个子组的长度仍等于全部子载波的个数，然后对各个子组分别乘以某个加权系数，最后再合并这些子组，从而达到降低整个系统峰均比的目的。这种方法的缺点与选择性映射相似，一是计算复杂度大，二是需要安全地传送辅助信息。

5.非线性压扩

在通信系统的发射端，通过数值变换降低大幅值信号的幅值和增强小幅值信号的幅值；而在接收端进行逆变换以恢复原始信号。到目前为止具体的压扩方法有如下三种：

一是采用话音信号处理中的μ律压扩方法来处理OFDM信号，它使小幅度信号被放大，而大幅度信号基本不变，从而以增大发射信号的平均功率为代价来达到降低峰均比的目的。该方法使得信号的功率值更加接近功率放大器的非线性变化区域，容易造成信号的失真。

二是通过误差函数将原始OFDM信号的实部和虚部所遵循的高斯分布分别变换为均匀分布；

三是指数压扩法，通过压扩函数将OFDM信号幅值所服从的瑞利分布变换为均匀分布(当d＝1时)。

方法二和三都是通过改善信号的统计分布特性来降低峰均比，研究发现这两种方法引起的信号失真过大，虽然能够将平均功率归一化的OFDM信号的峰均比降低到4.78dB以下，但同时会使系统误比特率增大到难以实用的程度。

发明内容

为了利用非线性压扩方法实现简单、计算复杂度不随子载波数目增大而增大的特点，并且为了克服现有的压扩方法的缺点，保证压扩前后信号的平均功率不变、保证在有效降低峰均比的同时使系统具有较低的误比特率，本发明提出了一种新的用于降低OFDM信号峰均比的压扩方法。

本发明的有益效果是通过下述方案实现的：

在通信系统的发射端进行IFFT运算后，通过压扩函数将OFDM信号幅值的统计分布变换为线性函数的形式；在通信系统的接收端进行FFT运算之前，通过上述压扩函数的反函数将所接收到的信号幅值进行逆压扩变换，由此降低OFDM信号的峰均比。上述压扩函数为：

$y=\sqrt{6}{\mathrm{\σ}}_s(1-\exp (-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}_s^2}))$

上述压扩函数的反函数为：

$y=\sqrt{-{2\mathrm{\σ}}_s^2\ln (1-\frac{x}{\sqrt{6}{\mathrm{\σ}}_s})}$

其中，σ_s表示OFDM信号的平均功率开根号后的值，亦即 ${\mathrm{\σ}}_s^2=E\left({\left|s_n\right|}^2\right),$ s_n表示原始的OFDM信号。

OFDM信号幅值经压扩后的取值分布为线性函数，其概率密度函数为：

$f_{\left|t_n\right|}\left(y\right)=\mathrm{ky}+b,(k<0,b>0)$

其中t_n表示发送端压扩变换后的信号。

在本发明的技术方案中，发送端/接收端都是仅对信号的幅值做压扩/逆压扩变换，信号的相位不变。

采用上述压扩函数对OFDM信号的幅值|s_n|进行压扩变换后，信号的平均功率保持不变。

本发明提出的降低OFDM信号峰均比的新压扩方法应用于采用OFDM技术或者其它存在峰均比问题的多载波通信系统中。

与现有技术相比较，本发明的优点如下：

1、本发明的新压扩方法降低峰均比的效果与选择性映射方法相当，但其计算量远远小于选择性映射方法；

2、本发明的新压扩方法的剪波效应不像误差函数压扩法和指数压扩法那么明显，因此，在相同的信噪比条件下，新压扩方法的系统误比特率比其它两种压扩方法的误比特率低。

总而言之，本发明创造的新压扩法在峰均比和误比特率性能之间达到了较好的折衷，而且不需要大量复杂的运算，因此具有较高的实用价值。

附图说明

图1为采用幅值压扩变换方法的OFDM系统框图；

图2为指数压扩法与本发明的压扩法中的压扩函数曲线对比图；

图3为采用几种不同压扩方法后峰均比的互补累积分布函数对比图；

图4为经典文献中采用选择性映射法后峰均比的互补累积分布函数曲线；

图5为采用几种不同压扩方法后的误比特率曲线对比图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，通信系统的信源端随机产生256000个比特，经QPSK调制后，逐个分配给256个子载波，然后经IFFT实现正交调制，得到原始的OFDM信号。本实施例中对信号的平均功率做了归一化处理。然后求出复信号的振幅，采用本发明提出的新压扩函数做压扩变换；通信系统的接收端进行FFT运算之前，通过上述压扩函数的反函数将所接收到的信号幅值进行逆压扩变换。压扩函数为

$y=\sqrt{6}{\mathrm{\&sigma;}}_s(1-\exp (-\frac{x^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_s^2}))$

压扩函数的反函数为：

$y=\sqrt{-{2\mathrm{\&sigma;}}_s^2\ln (1-\frac{x}{\sqrt{6}{\mathrm{\&sigma;}}_s})}$

统计压扩后信号的峰均比分布，可得到其互补累积分布函数的仿真曲线。采用本发明提出的压扩函数后，当概率为10^-4时对应的峰均比约等于7.8dB，达到了有效降低OFDM信号峰均比的目的。

实施例2

另一例仿真实验的基本流程也如图1所示。信源端随机产生640000个比特，经DQPSK调制后，逐个分配给64个子载波，然后经IFFT实现正交调制，得到原始的OFDM信号。接着求出复信号的振幅，采用本发明提出的新压扩函数做压扩变换，然后将处理后的信号从并行转换为串行，经过数/模变换和上变频后送入加性高斯白噪声信道。

接收端接收到的信号经下变频、模/数变换后，将信号从串行转换为并行，然后求出复信号的振幅，采用本发明提出的逆压扩函数做逆压扩变换，然后再对信号进行FFT运算。随后将信号从并行变换为串行，并经DQPSK解调，统计出信号的误比特率。经比较可知，在相同的信噪比条件下，采用新压扩方法后系统的误比特率比误差函数压扩法和指数压扩法的误比特率低得多。可见本发明提出的新压扩方法简单实用，是一种比较理想的降低峰均比的方案。

如图2所示，对于平均功率归一化的OFDM信号，本发明提出的新压扩函数使大信号的最大振幅逼近

，而指数压扩法使大信号的最大振幅逼近前者限幅的门限是后者的

倍，所以新压扩方法引起的信号畸变比指数压扩法小，由此可知采用新压扩方法后系统的误比特率性能优于指数压扩法。

如图3所示，采用本发明提出的压扩方法的互补累积分布函数曲线陡峭截止于峰均比约等于7.8dB的位置。与图4所示的经典文献中采用选择性映射法后峰均比的互补累积分布函数曲线(Seung Hee Han，Jae Hong Lee，An overviewof peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission，Wireless Communications，IEEE Volume 12，Issue 2，April 2005 pp.56-65)对照可知，新的压扩方案降低峰均比的效果与选择性映射方法相当，但其计算量远远小于选择性映射方法。

如图5所示，在相同的信噪比条件下，采用新压扩方法后系统的误比特率比误差函数压扩法和指数压扩法的误比特率低得多。图中“理想情况”对应的是只考虑加性高斯白噪声条件下DQPSK调制方式的理论误比特率曲线。

Claims (5)

1.一种降低OFDM信号峰均比的压扩方法，其特征在于在通信系统的发射端进行IFFT运算后，通过压扩函数将OFDM信号幅值的统计特性变换为服从线性函数的分布；在通信系统的接收端进行FFT运算之前，通过上述压扩函数的反函数对所接收到的信号幅值进行逆压扩变换，由此降低OFDM信号的峰均比，上述压扩函数为：

$y=\sqrt{6}{\mathrm{\&sigma;}}_s(1-\exp (-\frac{x^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_s^2}))$

上述压扩函数的反函数为：

$y=\sqrt{-2{\mathrm{\&sigma;}}_s^2\ln (1-\frac{x}{\sqrt{6}{\mathrm{\&sigma;}}_s})}$

其中，σ_s表示OFDM信号的平均功率开根号后的值，亦即

s_n表示原始的OFDM信号。

2.根据权利要求1所述的降低OFDM信号峰均比的压扩方法，其特征在于OFDM信号幅值在发送端经压扩后的取值分布为线性函数，其概率密度函数为：

$f_{\left|t_n\right|}\left(y\right)=\mathrm{ky}+b(k<0,b>0)$

其中t_n表示发送端压扩变换后的信号；|t_n|表示发送端压扩变换后的信号的幅值。

3.根据权利要求1所述的降低OFDM信号峰均比的压扩方法，其特征在于发送端/接收端都是仅对信号的幅值做压扩/逆压扩变换，信号的相位不变。

4.根据权利要求1所述的降低OFDM信号峰均比的压扩方法，其特征在于OFDM信号幅值经压扩后其平均功率保持不变。

5.根据权利要求1所述的降低OFDM信号峰均比的压扩方法，其特征在于应用于采用OFDM技术或者其它存在峰均比问题的多载波通信系统中。

Images